CN108832299B - 一种基于固态等离子体的智能墙壁结构 - Google Patents

一种基于固态等离子体的智能墙壁结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于固态等离子体的智能墙壁结构，该智能墙壁有五层结构组成，其中第一、第三层为固态等离子层，第二、第四层为介质基板，第五层为铜质背板。用户可根据环境需求控制智能墙壁的开关，使其可实现吸波器和平面反射阵列天线的功能。当该智能墙壁作为吸波器使用时，可吸收特定频段的能量或信号，即屏蔽“不需要”的信号，所吸收的能量转化为电能，为用户提供生活用电或为自身系统供电；当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，能动态实现多频、多波束，可作为信号传输的基站或中继站。本发明的优势在于，同一器件上能够实现能量采集与吸收、电磁屏蔽和信号传输与调控等功能，实现了节能减排，提高了空间利用率。

Description

一种基于固态等离子体的智能墙壁结构
技术领域
本发明涉及一种基于固态等离子体的智能墙壁结构，属于电子通信领域和智能建筑领域，特别是微波器件技术、射频系统前端技术等领域。
背景技术
随着现代城市的快速发展，摩天大楼的建造往往没有进行有效的电磁测试，可能会对已有的通信基站发出的信号产生干扰，这种情况下设备运营商会调试基站或架设新的基站，增大了工程量并增加了成本。再者，用户与用户间的通信由天线发射到基站，再由基站传递给用户，因此移动通信必须有基站天线的配合才能完成。由于环境和人口布因数，在实际通信要求中，还需建设中继站对信号进行接收和转发，以确保传输信号的质量，解决普通电台与电台之间因距离而不能通联的制约。某些情况下，红外波段的电磁波会使摩天大楼内温度升高，从而使楼内通过空调等方式进行温度调节，造成二次浪费，不能使这些电磁波得到有效的利用。此外随着信息技术的发展，无线通信中的基本器件，如医疗、保健以及常用消费级的电子产品都对电子器件有电子兼容的需求，都需要屏蔽“不需要的”电磁信号，传统方法是在室内或室外架设电磁屏蔽设备，进行特定频段或某段频段内的电磁屏蔽。传统的工艺不能在同一器件上实现信号传输、能量吸收、能量采集和电磁屏蔽等功能，若在同一地点实现这些功能，需要单独设计天线、能量采集器和吸波器，势必造成资源的浪费，并使空间利用率降低。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于固态等离子的智能墙壁结构，用户可根据环境需求控制智能墙壁的开关使其能实现能量吸收转换、信号屏蔽、波束定向反射等功能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于固态等离子体的智能墙壁结构，包括依次层叠的固态等离子层、介质基板及铜质背板；所述固态等离子层及介质基板至少具有两层，并分别层叠，所述铜质背板置于最下层的介质基板底部；所述智能墙壁包括五层结构，第一、三层为固态等离子层，第二、四层为介质基板，第五层为铜质背板。
所述智能墙壁采用固态等离子体设计，作为吸波器或平面反射阵列天线使用，通过调控固态等离子体以改变智能墙壁的工作状态，即改变所述吸波器的吸收频段或所述平面反射阵列天线的工作频率和反射波束的方向。
其中，智能墙壁工作时，所述第一固态等离子层与第一介质基板形成吸波器，所述二固态等离子层与第二介质基板形成平面反射阵列天线，且所述第二固态等离子层为平面反射阵列天线的单元或吸波器的反射板。
本发明的优势在于，用户可根据环境需求自行控制智能墙壁的开关使其分别实现吸波器和平面反射阵列天线的功能，同一器件上能够实现能量采集与吸收、电磁屏蔽和信号传输与调控等功能，实现了节能减排，提高了空间利用率。
本发明进一步限定的技术方案是：所述智能墙壁作为吸波器使用时，吸收能量或信号，所述能量的频段为能够吸收微波波段到可见光波段，并根据用户需求进行选择，自主决定要屏蔽的上述波段中的信号，所吸收的能量先通过能量转换器转化为电能，并将其传输到蓄电池，再通过逆变器转化为交流电，为用户提供生活用电或为自身系统供电；
当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，用户根据环境需求调控天线工作的频段和反射波束的方向，作为信号传输的基站或中继站，实现动态多频、多波束扫描。
进一步的，所述吸波器包括由若干个固态等离子体谐振单元构成的第一固态等离子层及其下部的第一介质基板，所述固态等离子谐振单元包括置于中央的“米”字型结构及其外围的不规则环带，所述不规则环带的带宽为1μm，由四个分布在吸波器内部四角、相距22μm、边长为8μm的正方形环带和一个边长为30μm的正方形环带融合并去掉多余部分组成，所述“米”字型结构由四个相同的长方形组成，其中长方形的长为15μm，宽为1.3μm；所述第一介质基板是材料为FR4的长方体，其长宽为40μm，高为5.8μm；
所述吸波器的底部为第二固态等离子体层，即反射阵天线的反射层。
进一步的，所述平面反射阵列天线包括由若干个固态等离子体阵列单元构成的第二固态等离子层及其下方的第二介质基板，所述固态等离子体阵列单元1包括置于中央的正方形结构及所述正方形结构外围的环带结构，所述环带结构由两个“十”字型结构形相减后融合而成，小“十”字型结构由两个长为1.44a、宽为1.2a的长方形组成，大“十”字型结构由两个长为1.92a、宽为1.68a的长方形组成，所述正方形结构的边长为a；所述第二介质基板是材料为FR4的长方体组成，其长宽为12mm，高为3mm；
所述平面反射阵列天线的底部为铜质背板。
进一步的，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间具有隔离层进行隔离，并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
进一步的，所述铜质背板构成平面反射阵列天线的底层反射板，其厚度忽略不计。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1) 本发明公开了一种基于等离子体的智能墙壁的设计，用户可根据环境需求自行控制智能墙壁的开关使其分别实现吸波器和平面反射阵列天线的功能，当智能墙壁作为吸波器使用时，能够吸收红外波段的能量，在室外高温状态下减少对室内温度造成的影响，吸波器所吸收的能量通过能量转换器转换为电能，并将其传输到蓄电池（即充电），再通过逆变器将直流电转变为交流电为用户提供生活用电或为自身系统供电，通过调节等离子体的激励状态还可以改变吸波器工作的频段，使其吸收特定频段的能量，即屏蔽“不需要”的电磁信号；当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，能够对电磁波进行全向反射或定向反射，可作为运营商的基站或中继站，根据移动通信用户的密集程度和分布情况，调控等离子体的激励状态改变平面反射天线的反射状态，在人群密集且分布集中时，调控为定向天线并指向人群密集的角度，如果人群分布较为离散，则采用全向天线。
(2)本发明能在同一器件上能够实现能量采集与吸收、电磁屏蔽和信号传输与调控等功能，实现了节能减排，提高了空间利用率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明的整体结构示意图。
图3为本发明的智能墙壁的单元结构立体图。
图4为本发明的智能墙壁的单元结构侧视图。
图5为本发明的吸波器的单元结构正视图。
图6为图5的吸收曲线图。
图7为本发明的平面反射阵列天线的单元结构正视图。
图8为平面反射阵列天线在10.6GHz频率下的波束重构在波束指向15°时的平面反射阵列的方向图。
图9为平面反射阵列天线在10.6GHz频率下的波束重构在波束指向25°时的平面反射阵列的方向图。
图10为平面反射阵列天线在10.6GHz频率下的波束重构在波束指向30°时的平面反射阵列的方向图。
附图标记：1—无线电发射塔/信号基站，2—建筑物，3—智能墙壁，4—家用光源，5—固态等离子体，6—介质基板，7—铜质背板，8—太阳。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于固态等离子体的智能墙壁结构，用户可根据环境需求控制智能墙壁的开关，使其可实现吸波器和平面反射阵列天线的功能。当该智能墙壁作为吸波器使用时，可吸收特定频段的能量或信号，即屏蔽“不需要”的信号，所吸收的能量转化为电能，为用户提供生活用电或为自身系统供电；当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，能动态实现多频、多波束，可作为信号传输的基站或中继站。本发明的优势在于，同一器件上能够实现能量采集与吸收、电磁屏蔽和信号传输与调控等功能，实现了节能减排，提高了空间利用率。
其结构如图3、图4所示，包括五层结构，由上而下依次为第一固态等离子层、第一介质基板、第二固态等离子层、第二介质基板及铜质背板。其中，固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现。并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
第一、二介质基板的材料均采用FR4的材料制成，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。其中，第一介质基板是长、宽都为40μm，厚度为5.8μm的长方体，第二介质基板是长、宽都为12cm，厚度为3cm的长方体。
如图5所示，当智能墙壁作为吸波器使用时，吸波器上层的第一固态等离子层，即智能墙壁第一层可激励为一个不规则环带和一个“米”字型结构，其中不规则环带的带宽为1μm，由四个分布在吸波器内部四角、相距22μm、边长为8μm的正方形环带和一个边长为30μm的正方形环带融合并去掉多余部分组成，中间“米”字型结构由四个相同的长方形组成，其中长方形的长为15μm，宽为1.3μm。
如图6所示，所设计的智能墙壁吸收效率在0.8以上的频率为3.2-3.3THz和4.1-4.4THz，其中在3.28THz时吸收效率达到最高为0.99。即该智能墙壁能够吸收红外波段的能量，在室外高温状态下减少对室内温度造成的影响。通过调控固态等离子的激励状态还可调节智能墙壁的吸收频点和吸收效率。
如图7所示，当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，平面反射阵列天线上层的第二固态等离子层，即智能墙壁第三层可激励为一个外围环带结构和中心的正方形结构。其中环带结构由两个“十”字型结构相减后融合而成，小“十”字形由两个长为1.44a、宽为1.2a的长方形组成，大“十”字形由两个长为1.92a、宽为1.68a的长方形组成，中心正方形的边长为a。
本实施例使用时，如图1、图2所示， 物业或用户能直接控制智能墙壁的开关，可根据环境需求自行调控智能墙壁，使其能分别实现吸波器和平面反射阵列天线的功能，还可通过编程调控固态等离子体的激励状态改变吸波器的吸收频段，改变平面反射阵列天线的工作频段和反射波束方向。
智能墙壁作为吸波器使用时可吸收来自无线电发射塔和太阳的能量，用户可通过调控固态等离子体的激励状态改变吸波器的工作频段使其吸收特定频段的能量或信号，即屏蔽“不需要”的信号，所吸收的能量通过能量转换器可转化为电能，并将其传输到蓄电池（即充电），然后再通过逆变器将直流电转变为交流电为用户提供生活用电或为自身系统供电。
智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，能够对基站发射的信号进行定向或全向反射，可作为运营商的基站或中继站，根据移动通信用户的密集程度和分布情况，调控固态等离子体的激励状态改变平面反射天线的反射状态，在人群密集且分布集中时，调控为定向天线并指向人群密集的角度，如果人群分布较为离散，则调控为全向天线。
如图8、图9、图10所示，所设计的智能墙壁可工作在10.6GHz下，通过调控固态等离子的激励状态使其反射波束分别指向15°、25°和30°。通过控制固态等离子体的激励状态，还可以改变智能墙壁的工作频率和反射波束指向，实现辐射波束的动态扫描。
基于固态等离子体的智能墙壁，从功能上实现了能量采集、能量吸收、电磁屏蔽和信号传输。可重构单元表面上都可以组建出预先设计好智能墙壁单元排布，每一时刻的智能墙壁都经过独立的设计，可实现任意频段的能量吸收、波束扫描，所吸收的能量还可通过能量转换器转换成电能，并将其传输到蓄电池（即充电），再经过逆变器转变为交流电，为用户提供家庭用电。
用户可根据环境需求自行控制智能墙壁的开关使其分别实现吸波器和平面反射阵列天线的功能，当智能墙壁作为吸波器使用时，能够吸收红外波段的能量，在室外高温状态下减少对室内温度造成的影响，吸波器所吸收的能量通过能量转换器转换为电能，并将其传输到蓄电池（即充电），再通过逆变器将直流电转变为交流电为用户提供生活用电或为自身系统供电，通过调节等离子体的激励状态还可以改变吸波器工作的频段，使其吸收特定频段的能量，即屏蔽“不需要的”电磁信号；当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，能够对电磁波进行全向反射或定向反射，可作为运营商的基站或中继站，根据移动通信用户的密集程度和分布情况，调控等离子体的激励状态改变平面反射天线的反射状态，在人群密集且分布集中时，调控为定向天线并指向人群密集的角度，如果人群分布较为离散，则采用全向天线。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：包括依次层叠的固态等离子层、介质基板及铜质背板；所述智能墙壁为五层结构，第一、三层为固态等离子层，第二、四层为介质基板，第五层为铜质背板；
所述智能墙壁采用固态等离子体设计，作为吸波器或平面反射阵列天线使用，通过调控固态等离子体以改变智能墙壁的工作状态，即改变所述吸波器的吸收频段或所述平面反射阵列天线的工作频率和反射波束的方向；
所述智能墙壁作为吸波器使用时，吸收能量或信号，所述能量的频段为能够吸收微波波段到可见光波段，并根据用户需求进行选择，自主决定要屏蔽的上述波段中的信号，所吸收的能量先通过能量转换器转化为电能，并将其传输到蓄电池，再通过逆变器转化为交流电，为用户提供生活用电或为自身系统供电；
所述吸波器包括由若干个固态等离子体谐振单元构成的第一固态等离子层及其下部的第一介质基板，所述固态等离子体谐振单元包括置于中央的“米”字型结构及其外围的不规则环带，所述不规则环带的带宽为1μm，由四个分布在吸波器内部四角、相距22μm、边长为8μm的正方形环带和一个边长为30μm的正方形环带融合并去掉多余部分组成，所述“米”字型结构由四个相同的长方形组成，其中长方形的长为15μm，宽为1.3μm；所述第一介质基板是材料为FR4的长方体，其长宽为40μm，高为5.8μm；
当智能墙壁作为平面反射阵列天线使用时，用户根据环境需求调控天线工作的频段和反射波束的方向，作为信号传输的基站或中继站，实现动态多频、多波束扫描；
所述平面反射阵列天线包括由若干个固态等离子体阵列单元构成的第二固态等离子层及其下方的第二介质基板，所述固态等离子体阵列单元包括置于中央的正方形结构及所述正方形结构外围的环带结构，所述环带结构由两个“十”字型结构形相减后融合而成，小“十”字型结构由两个长为1.44a、宽为1.2a的长方形组成，大“十”字型结构由两个长为1.92a、宽为1.68a的长方形组成，所述正方形结构的边长为a；所述第二介质基板是材料为FR4的长方体组成，其长宽为12mm，高为3mm。
2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述智能墙壁工作时，所述第一固态等离子层与第一介质基板形成吸波器，所述第二固态等离子层与第二介质基板形成平面反射阵列天线。
3.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述第二固态等离子层为平面反射阵列天线的单元或吸波器的反射板。
4.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述吸波器的底部为第二固态等离子体层，即反射阵天线的反射层。
5.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述平面反射阵列天线的底部为铜质背板。
6.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间具有隔离层进行隔离，并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
7.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的智能墙壁结构，其特征在于：所述铜质背板构成平面反射阵列天线的底层反射板，其厚度忽略不计。
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